睾丸具有生精功能和内分泌功能，其功能受下丘脑-腺垂体-睾丸轴活动的调节。男性生殖内分泌轴以下丘脑-垂体-睾丸轴为核心，主要包括五个方面：下丘脑外中枢神经系统、下丘脑、垂体、睾丸和促性腺激素敏感靶器官。

下丘脑外中枢神经系统，如杏仁核、海马回、中脑等，对生殖功能有激动和抑制作用。杏仁核和海马回都是边缘系统的一部分，前者发出信号影响下丘脑前区和腹正中区的神经内分泌功能，后者发出突触到下丘脑的腹侧区，并且两者路径不同。杏仁核及海马回是否影响促性腺激素分泌还有争议，但它们都参与了感觉系统向下丘脑的信息传递过程。中脑与下丘脑视前区、前区、弓形区和内基底区等许多部位有联系，这些区域都存在含去甲肾上腺素和血清素神经递质的神经元。

下丘脑是生殖内分泌轴调节的枢纽。中枢神经系统和体液反馈信息调节下丘脑GnRH的分泌，GnRH释放于连接垂体前叶与中央隆突的垂体门脉循环内。下丘脑的内侧基底部主要参与促性腺激素分泌的调控，该部位的神经内分泌细胞合成并分泌GnRH，其神经活动也受下丘脑其他部位和丘脑外通路传入通道的影响，尤其受到促性腺激素的调节。儿茶酚胺、血清素、门冬氨酸和谷氨酸、神经肽Y、血管紧张素Ⅱ、血管活性肠肽（VIP）等对GnRH的分泌有促进作用；鸦片类多肽、免疫物质P、促皮质激素释放激素、催产素和干扰素等抑制GnRH的分泌。多巴胺、γ-氨基丁酸（GABA）具有正负效应。去甲肾上腺素可能是GnRH脉冲释放的主要刺激因素，鸦片多肽类则恒定一致抑制GnRH的分泌，精神紧张也影响下丘脑GnRH的分泌。

GnRH呈脉冲式释放于垂体门静脉内，这种脉冲释放模式对刺激FSH、LH的合成和分泌至关重要，持续GnRH刺激抑制FSH、LH的释放。下丘脑可调节垂体分泌PRL，影响睾丸甾体激素产生，精子发育、运动及附属性腺功能和性行为。下丘脑疾病可引起睾丸萎缩和功能丧失。

下丘脑对睾丸的影响主要通过垂体完成。垂体短时间内暴露于高水平的GnRH下，对刺激FSH、LH的合成和分泌至关重要。

睾丸直接受垂体前叶的控制，垂体通过分泌FSH和LH分别调节睾丸的内分泌和生精功能。FSH和LH在垂体内合成后，释放入血液循环中到达睾丸发挥作用。由于FSH和LH的爆发式分泌，导致两种激素血清浓度的短期变异，这种峰-谷波动在青春期前男孩中最小，在睾丸衰竭的性腺功能减退病人中最大。脉冲式分泌在青春期前开始出现，最初只与睡眠有关，但最大的LH睡眠相关脉冲变化却出现在青春期后。当性发育逐渐成熟后，LH脉冲昼夜均有，而特异的与睡眠有关的升高变化则变得不明显。

睾丸间质的主要细胞是Leydig细胞，细胞膜上有LH受体。青春期后，LH是调控Leydig细胞的重要激素。垂体分泌的LH与LH受体结合后通过磷脂代谢产物和Ca ²⁺，激活蛋白激酶，使蛋白磷酸化，从而促进胆固醇的裂解，有利于睾酮的合成。FSH可诱导LH受体与LH的结合，并使LH受体数目增加，间接刺激睾酮的分泌。睾酮在LH的作用下，与性激素结合球蛋白（SHBG）及其他血浆球蛋白结合，由血液运输到睾酮细胞；或直接与睾酮受体结合；或经5α-还原酶的作用转变为双氢睾酮；或经芳香化酶的作用转变为雌二醇，然后发挥作用。LH受体缺乏，血浆中的FSH和LH浓度增加而睾酮不足，生殖器官不能正常发育，导致女性表型的“两性人”。

FSH作用于支持细胞，刺激支持细胞促使精子发生。FSH与支持细胞上的特异FSH受体结合，影响细胞的能量代谢、蛋白合成和细胞的分裂分化，产生雄激素结合蛋白和间质细胞刺激因子等，它们均与精子产生有关。雄激素结合蛋白与睾酮结合后，通过睾丸淋巴系统，转运至生精小管管腔内，维持管腔内睾酮高浓度，促进精子发生，特别是促进减数分裂。相邻的支持细胞在FSH的作用下形成紧密连接，加上紧附于生精小管上的肌样细胞，形成“血-睾屏障”，不仅形成独特的物质运输途径，而且还使生精小管具有利于精子产生的独特微环境，避免了抗精子抗体的生成。破坏“血-睾屏障”，可成为抗生育的一条途径。FSH还可以在支持细胞内使睾酮经芳香化酶的作用转变为雌二醇，并在男性体内少量存有。

在精子发生过程中，FSH直接作用于支持细胞，而LH对精子生成起间接作用，通过睾酮与支持细胞上的睾酮受体的相互作用调节支持细胞上FSH受体的数量，间接增加FSH作用。

垂体亦分泌泌乳素，泌乳素通过抑制GnRH和促性腺素的分泌影响睾丸功能，也可能对垂体促性腺素细胞、Leydig细胞和睾丸组织有抑制效应。生理剂量的泌乳素可以诱导间质细胞LH受体产生，从而增强间质细胞对LH刺激的敏感性，有利于睾酮的合成；促进睾酮与靶细胞的胞质受体蛋白结合，发挥促进附属性腺器官生长的作用。多巴胺是泌乳素生理抑制因子，促甲状腺素释放激素和VIP可刺激垂体泌乳素的释放。

高泌乳素血症可导致血清睾酮降低和性腺功能减退，导致严重的生精障碍和性功能障碍。高泌乳素血症致睾酮缺乏的原因相对复杂，但大多表现为LH受抑制或分泌减少（相对于睾酮），提示下丘脑-垂体轴对睾酮降低无反应。泌乳素可能直接通过豆状核多巴胺通路抑制GnRH的分泌。垂体对注射GnRH的反应异常，高泌乳素抑制LH的脉冲分泌。高泌乳素血症可通过中枢神经系统抑制睾酮分泌损害男性性功能。大多数高泌乳素血症男性给予溴隐亭治疗后性功能有所改善。

下丘脑-垂体-性腺轴包含一个闭环反馈调节机制。在该系统中，性激素对LH和FSH的分泌起抑制作用。

睾丸主要分泌睾酮，它主要抑制LH分泌；睾丸其他分泌产物也抑制LH分泌，如雌激素和其他雄激素。睾酮在下丘脑和垂体两个水平抑制促性腺素的分泌。与睾酮相比，男性血雌二醇水平相对较低，但其抑制LH和FSH的作用要比睾酮强1000倍。睾酮或雌二醇前体可在下丘脑中经芳香化产生雌二醇，抑制下丘脑GnRH的合成。生理剂量的睾酮和雌二醇均可抑制LH的分泌，睾酮可直接或转化为雌二醇后间接降低血浆LH水平。双氢睾酮也能抑制LH分泌，证明芳香化并不是LH反馈所必需的。睾酮向双氢睾酮转化无需睾酮的反馈效应，因此短期应用5α-还原酶抑制剂非那雄胺，LH或FSH并不升高。雄激素抵抗者（睾丸女性化），为女性表型，伴LH升高，但是雌二醇水平正常或升高。

FSH分泌的反馈调节机制争议颇多。去势后FSH升高表明睾丸在FSH反馈调节中的重要作用。LH和FSH的反馈调节并不一定同步发生。接近生理剂量的睾酮和雌二醇，可抑制LH而对FSH无影响。高剂量的类固醇对LH和FSH均有抑制。即使阻断芳香化过程，睾酮亦能抑制LH和FSH分泌。

垂体FSH分泌可能受抑制素的控制。抑制素有两个亚单位α和β。两种抑制素有共同的α亚单位和各自特异的β亚单位。抑制素对FSH分泌发挥极强的负反馈作用。抑制素A和B体外可选择性地抑制FSH的释放。两个β亚单位结合（异二聚体和同二聚体）形成激活素，体外可增强FSH的分泌。抗抑制素血清可使雌鼠和未成熟的雄鼠的血清FSH升高。破坏成年鼠Leydig细胞后，血清FSH水平上升。除抑制素外，一些性腺肽类和生长因子，如卵泡抑制素和转化生长因子β，也可调节FSH分泌。这些性腺肽类是通过旁分泌和自分泌作用调节性腺细胞功能的。

FSH可增加睾丸抑制素含量并刺激培养的Sertoli细胞释放抑制素。在男性的青春发育期，有免疫反应的α抑制素与FSH和LH平行增加；特发性促性腺素低下性腺功能障碍患者，GnRH刺激可使α抑制素分泌升高，而在睾酮引起的促性腺激素受抑制时分泌降低。纯化的FSH、LH和hCG均可升高促性腺激素的抑制素水平。与睾酮的脉冲分泌一致，抑制素以非常规律的脉冲释放入精索静脉中，说明LH参与了抑制素自睾丸的释放。然而，原发睾丸功能减退的病人血清α抑制素水平并无显著变化。

性腺类固醇和多肽类对维持正常血清FSH浓度都有重要作用。睾丸生精组织明显破坏，血清FSH会有不同程度的升高，Leydig细胞功能受到损害，血清FSH会升至去势的水平。

睾酮是睾丸中最重要的旁分泌激素。睾酮可能通过支持细胞发挥作用，它可刺激支持细胞分泌ABP和生精小管液。睾酮可能作用于生精的某些阶段。睾酮一旦受抑或阻断它对支持细胞的作用，大鼠的生殖细胞可在Ⅶ、Ⅷ期发生退行性变。睾酮作用于管周细胞，主要是肌样细胞，可产生具有调节ABP和转铁蛋白分泌作用的一种大分子物质。这说明生精小管管周细胞可能介导睾酮对生精小管的某些作用。管周细胞分泌一种旁分泌因子P-Mode-S，调节支持细胞的功能。在将管周细胞与支持细胞一并培养时发现，这两种细胞可产生上皮生长因子类似物TGF-2，刺激管周细胞增殖和移动以及支持细胞分泌转铁蛋白。TGF-2由管周细胞和支持细胞共同产生，它也能作用于自身，影响自身的功能。睾丸的这种旁分泌和自分泌调节对维持睾丸正常功能起重要作用。

大鼠和人等6种动物的间质细胞可产生β-内啡肽及其他原阿片黑皮素（POMC）衍生物。B-内啡肽主要作用于支持细胞，正常情况下对支持细胞具有抑制作用。许多研究表明，在睾酮足够的条件下，LH和hCG对生精过程有抑制，提示间质细胞可产生其他抑制生精小管和β-内啡肽的因子。

催产素是一种肽类活性物质，由间质细胞产生。作用于生精小管的肌样细胞，使生精小管收缩，将精子向附睾传送。生精小管局部收缩还可使管壁出现皱褶，促使减数分裂前的生长细胞移离基底膜，有助于精子的释放。

精子生成过程由生精上皮内一系列具有精确时序的细胞活动构成。这些事件的触发是高度选择性的，精子生成周期的特定阶段，仅有特定的生殖细胞接受特定刺激的触发。这种特异性必须部分或全部的从属于旁分泌因子的产生。如抑制素与转化生长因子-β具有同源性，除抑制FSH分泌外，还可对睾丸生长产生旁分泌作用。支持细胞还分泌一些转运蛋白和能量代谢物质，如转铁蛋白、铜蓝蛋白及丙酮酸、乳酸等。转铁蛋白转运生精细胞分裂和分化所需的铁离子，其受体在精原细胞最多，精母细胞次之，早期精子细胞最少，晚期精子细胞则无。乳酸和丙酮酸的分泌受FSH调节，作为生精细胞和精子的主要功能物质，其分泌也是周期性的。不过上述几种物质是否可被认为是旁分泌作用，抑或只是生殖细胞代谢的必要产物，目前尚有争议。此外，支持细胞还分泌IL-1样因子，其分泌随精子发生周期的不同而变化，其分泌的增加和正在分化的精原细胞DNA合成的增加一致，它可能贯穿于精子发生初始和精子释放的复杂过程中。

对未成年鼠支持细胞体外培养发现，加入不同的生殖细胞可以改变支持细胞分泌雄激素结合蛋白的功能，生殖细胞对支持细胞的这种作用是通过这两类细胞间连接传递的某些因子而实现的。

间质细胞膜上有LH受体，旁分泌因子最有可能通过调节LH受体数目和对LH的反应性发挥作用。

体外细胞培养研究证明，幼年大鼠的支持细胞在FSH作用下可产生一些提高间质细胞对LH反应性的因子，表明FSH可能通过作用于支持细胞，间接影响间质细胞的功能。间质细胞分泌的睾酮进入支持细胞后，在芳香化酶作用下转化为雌二醇，FSH可促进这种转化。间质细胞上有雌二醇受体，雌二醇与其受体结合，抑制睾酮的分泌，这种细胞间的局部作用可以维持睾酮与雌二醇分泌的动态平衡。

大鼠睾丸间质细胞具有促黄体激素释放激素（LHRH）受体，支持细胞产生的LHRH样肽，作用于间质细胞，对睾酮的分泌起促进作用，但长时间暴露则起抑制作用。人的睾丸是否有LHRH样因子尚不清楚。睾丸的LHRH可能通过直接改变间质细胞睾酮分泌、血管通透性和睾丸血流量三种途径，控制间质液中睾酮的浓度。而间质液的睾酮浓度在相当程度上可影响精曲小管内睾酮的浓度。因此，除了LH的主要调控外，前述的许多因子（抑制或促进）可通过复杂有序的相关作用，发挥正负调控作用，使睾酮浓度服从生理需要。

睾丸的肌样细胞在体外可改变支持细胞的结构和功能。间质细胞分泌的催产素可作用于肌样细胞，引起其收缩，有利于精子在管内的运输。睾酮也可作用于管周肌样细胞，调节支持细胞功能。大鼠睾丸中存在大量的巨噬细胞，可分泌许多活性肽，应该有重要的旁分泌作用。如IL-1除调节间质细胞分泌睾酮外，还与其他生殖激素配合，参与精子发生的调节。

睾丸生精上皮对缺血非常敏感，而睾丸重要的营养物质和内分泌产物仅可通过血流到达睾丸，因此睾丸的脉管网络很重要，它很大程度上受睾丸的局部调节。LH作用于间质细胞可致血管通透性改变，因此可增加间质液的形成、营养成分和内分泌因子进入睾丸的速度。已知间质细胞可产生数种作用于血管的化合物，如血管紧张素、β-内啡肽、前列腺素和雌激素类化合物。巨噬细胞也可产生作用于血管的物质。这些细胞对脉管网络的旁分泌调节作用有待于进一步研究。

睾丸的血流量与精子生成过程相联系，血流量减少则精子减少。支持细胞可产生LHRH样物质，降低睾丸血管的通透性，即对抗LH的作用。但是，在高浓度情况下，LHRH与LH具有协同作用，增加血管通透性，且比LH单独作用更迅速。LHRH对睾丸血流也有轻微的刺激作用。这似乎表明支持细胞的其他产物也能影响脉管网络系统。

总之，男性正常生殖功能的维持依赖于下丘脑-垂体-睾丸激素的协同释放。GnRH由下丘脑基底部的神经内分泌细胞呈脉冲式释放入垂体门脉系统，促进垂体前叶的促性腺细胞合成与释放两种肽类激素，FSH和LH。这两种激素一旦通过血液循环到达睾丸，LH即可刺激Leydig（间质）细胞产生睾酮，同时FSH通过刺激Sertoli（支持）细胞促进睾丸生精上皮内的精子发生（spermatogenesis）。负反馈调节机制的存在使睾酮的分泌和精子的产生更加精细化，该调节系统依靠睾丸、下丘脑及垂体内的类固醇激素和肽类物质的反馈调节进行维持。